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從鰭到手,進化過程中它們經歷了什麼?
2020-04-07 08:27:45 來源: 科技日報
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希望螈藝術復原圖Ville Sinkkonen繪

  希望螈的指骨雖然看起來只是一些細小的骨骼,但它們對四肢的支撐能力起到了重要作用。鰭中的這些小骨骼讓它們能將重量靈活且均勻地分散給整個鰭。擁有指骨後,這些魚類就能在水底或短暫地在陸地上支撐起自己沉重的身體。

  小時候,我們總會很好奇,人類是從哪兒來的,祖先是誰?其實,不只是普通人,人類起源問題,也一直是科學家在苦苦探究的。

  3億多年前,一部分魚類登上陸地,最終演化出包括人類在內的種類繁多的陸生脊椎動物。魚類登陸是生命演化史上的重要事件,但魚類是如何向陸生脊椎動物過渡的,至今仍缺乏足夠的認識。

  近日,有媒體報道,在《自然》上發表的論文指出,科學家找到了魚類登陸過程中的關鍵化石——希望螈,這是人類首次在已知動物化石身上發現手指與鰭“鎖”在一起的現象,揭示了人類的手部是如何由遠古魚類的魚鰭一步步進化而來的。

  從鰭到指缺少重要過渡環節

  要想知道人類的手部是如何由遠古魚類的鰭一步步進化而來,首先要知道魚類是如何向陸地脊椎動物過渡的?

  中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員盧靜在接受科技日報記者採訪時説,所有陸地脊椎動物統稱為四足動物。四足動物是由魚類演化而來,為了在兩者中間作出區分,一般把長著鰭的定義為魚,長著指/趾的定義為四足動物,所以偶鰭(魚的胸鰭和腹鰭)到四肢,特別是指的演化至關重要。對魚類演變成四足動物過程的詳細了解,是古生物學在近200年學科歷史中取得的最大成就之一。

  “魚類在真正登上陸地演化出四足動物前,有一係列的過渡形態。”盧靜説,其中最重要的有幾個,一是現存的肉鰭魚類拉蒂邁魚,拉蒂邁魚保留了很多肉鰭魚類的祖先形態,但它離四足動物還很遠。二是真掌鰭魚,這是一種很“進步”的泥盆紀四足形類肉鰭魚,它們基本還是魚的樣子,並沒有四足,已經適應在較淺的水域中生活,有點像今天的烏鱧,但並不會爬到岸上去。接下來就是最早的四足動物代表,魚石螈和棘螈,它們為最早的四足動物的身體構造和生活狀態,特別是四肢的發育和演化提供了突破性的資料。

  盧靜表示,在真掌鰭魚,和魚石螈、棘螈中間處于關鍵過渡位置的“半魚半螈”的生物,就是希望螈類。希望螈類目前發現3個屬:希望螈、潘氏魚和提克塔利克魚。

  提克塔利克魚是希望螈類中的知名成員,它的鰭已經向四肢的方向演變。提克塔利克魚胸鰭的鰭條很不對稱,腹側的鰭條比背側的鰭條小好幾倍,研究者推測,這可能説明在胸鰭的底部,形成了一層肌肉。這層肌肉類似于四足動物掌心的肉,盡管還不足以支撐它們上陸,但可以幫助它們在河底移動。但是,提克塔利克魚的鰭骨則更接近真掌鰭魚,特別是末端骨骼很少,無法鑒別出明顯的“指頭”。

  而魚石螈和棘螈,它們雖然保留有魚類特徵,但胸鰭和腹鰭的鰭條已經完全退化,取而代之的,是由骨骼支撐的四肢和數量不等的手指,這證明它們已經做好了在陸地生活的準備。不過其他證據顯示,它們可能主要還是在水環境中生活,四肢用來在水底移動身體,棘螈也許是完全水生的,魚石螈則已經可以在陸地上移動,姿態可能和今天的海豹很像。

  無論是有鰭條但沒有指骨的提克塔利克魚,還是沒有鰭條但有指骨的魚石螈和棘螈,都為魚類向兩棲動物的演變提供了重要線索。但在它們中間,還缺少了一個關鍵的過渡環節——既有魚的鰭條,又已經演化出指骨的魚類。

  我們的手指或起源于它的鰭

  希望螈的出現,補上了這缺失的關鍵一環。

  加拿大魁北克大學穆斯基校區和澳大利亞福林德斯大學的研究者用CT掃描了一件完整保存的希望螈標本。三維復原結果顯示,這種魚既有發達的鰭條,也擁有明顯的指骨。在鰭條包裹的胸鰭中,不僅可以清晰地看到肱骨(對應我們的大臂)、橈骨和尺骨(小臂)、腕骨(手腕)、掌骨(手掌),甚至還發現了兩根明確的指骨,以及3根可能的指骨。

  “這是第一次在魚類中觀察到指骨和鰭條共存。”論文作者之一、福林德斯大學的古生物與地層學教授約翰·朗介紹,指骨雖然看起來只是一些細小的骨骼,並不起眼,但它其實對四肢的支撐能力起到了重要作用。鰭中的這些小骨骼讓它們能將重量靈活且均勻地分散給整個鰭。擁有指骨後,這些魚類就能在水底或短暫地在陸地上支撐起自己沉重的身體。

  盧靜恰巧與該研究的幾位作者認識。“他們去年都參加了我們組織的早期脊椎動物年會,並在會上作了有關這項研究的報告。”盧靜説,希望螈的樣子有點像大鯢、鱷魚和鲇魚的混合體。它的頭和鱷魚非常像,身體有些像大鯢,但在水中遊動的身姿比大鯢飄逸,更像一條大鲇魚。它的“手”外觀可能像現代澳洲肺魚的鰭,但更強壯,也許能短暫地在淺水中支撐身體,但是這所謂的“手”從外觀看還是魚鰭,有明顯的扇狀的鰭條部分,也並沒有裂開變成有功能的指,所以它還不能算是四足動物。

  “提克塔利克魚和真掌鰭魚的鰭都沒有希望螈這樣,數量這麼多,和指骨一樣排列的小鰭骨。上面説過,有沒有指在傳統上是區分魚和四足動物最重要的一個特徵,所以説希望螈的鰭是處于偶鰭向四肢過渡的關鍵階段。論文的作者甚至認為,希望螈已經模糊了魚和四足動物之間的界限。”盧靜強調。

  那麼,能不能就此説希望螈是人類的直係祖先呢?

  盧靜認為,生命演化是極其復雜、精細的過程,而化石記錄則相對極為零落。因此,總覽生命之樹,嚴格意義上的直係祖先是不可能找到的,找到的永遠只是或近或遠的“表親”,它們身上可能有很多真正直係祖先的特徵,但也有一定比例自身獨有的特徵,但哪些是祖先特徵,哪些是獨有特徵,往往並不容易確定。

  不過這些化石“表親”中,有些無論在形態和親緣關係上都可能已經非常接近真正的直係祖先,只是這裏的“非常接近”是一個相對的概念。“所以在科普上,也不妨使用直係祖先或直接祖先來指代某些從魚到人類演化道路上處于關鍵位置的生物。由于希望螈是目前找到的最接近所有四足動物共同祖先的魚,因此它有資格被稱為是人類的直係祖先。”盧靜説。(記者 付麗麗)

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